Motor de matriz de Halbach

O binário de relutância é amplamente utilizado na indústria como um motor elétrico de elevado desempenho e eficiência, uma vez que pode utilizar o motor síncrono de ímanes permanentes interno (IPMSM). No entanto, devido à sua construção, o IPMSM geral apresenta um binário de engrenamento e uma flutuação do binário. O centro é utilizado para produzir força de cogging. E a presença de um número significativo de harmónicos espaciais na distribuição da densidade do fluxo magnético da lacuna resulta na ondulação do binário. Devido à ocorrência de ressonância entre o sistema mecânico e o sistema de controlo, estes binários de engrenagem e ondulações de binário não só criam ruído e vibração, como também têm um impacto negativo no sistema completo. Num esforço para desenvolver esforços tanto a nível dos componentes de hardware como de software, foram partilhados os resultados do estudo.

tais como a modificação da forma do rotor e a adição de um cancelador de ondulação.

No nosso laboratório, concentramo-nos nas matrizes duplas de Halbach como estratégia de hardware, porque produzem um campo magnético com um harmónico espacial mais baixo na fenda e podem atingir densidades de fluxo magnético excecionalmente elevadas sem a necessidade de um centro feito de material ferromagnético. É possível obter uma elevada densidade de fluxo magnético e um padrão sinusoidal de densidade de fluxo magnético utilizando a matriz dupla de Halbach. Por conseguinte, é possível obter motores eléctricos sem núcleo com um binário de engrenamento e uma ondulação de binário mínimos.

Investigações anteriores tornaram claro o impacto que o número de divisão do íman e o espaçamento entre fendas têm no número de ligação de fluxo quando o íman paralelo de campo duplo de Halbach é dobrado em forma de cilindro para criar um motor síncrono de íman de campo duplo de Halbach. Além disso, utilizando um software de análise do campo eletromagnético, foi feita uma conceção real da máquina com base neste estudo.

Neste artigo, descrevemos o processo utilizado para criar um motor síncrono sem núcleo com um campo Halbach duplo rotativo de 45° utilizando a arquitetura descrita acima.

Esboço da matriz Dual Halbach
A matriz de Halbach é uma configuração de ímanes permanentes giratórios em ângulos pré-definidos, com uma secção transversal formada por um ângulo pré-determinado ao longo da direção do pólo magnético. Uma caraterística distintiva desta disposição é que um poderoso campo magnético só se manifesta num dos lados do íman permanente. Uma matriz de Halbach dupla é constituída por duas filas de matrizes de Halbach organizadas de modo a que as secções com as densidades de fluxo magnético mais elevadas sejam paralelas entre si. O padrão da linha de fluxo magnético da matriz dupla de Halbach está representado na Fig. 1. As orientações de polarização dos ímanes permanentes são indicadas por setas na ilustração.

Em primeiro lugar, verifica-se que a lacuna tem uma distribuição de intensidade de fluxo magnético excecionalmente elevada. Em segundo lugar, o centro da lacuna tem uma distribuição sinusoidal da intensidade do fluxo magnético. Além disso, há pouca perda de fluxo magnético fora dos ímanes paralelos, pelo que os passos de proteção podem ser reduzidos. A orientação da magnetização da matriz dupla de Halbach é rodada em 90 graus na Fig. 1 e, duplicando por um número inteiro, é possível produzir um potente campo magnético sinusoidal no centro da fenda a 45 graus ou 22,5 graus, o que corresponde a 360 graus.

Forma típica de íman fixo
A menos que a relação de aspeto do íman permanente utilizado na matriz dupla de Halbach seja excecionalmente grande, o fluxo magnético na matriz concentra-se num dos lados. Ao utilizar um circuito magnético para analisar o campo magnético de Halbach duplo, decidimos utilizar um íman permanente quadrado nesta investigação. A Fig. 2(a) mostra um circuito magnético que utiliza uma matriz dupla de Halbach e um íman quadrado. A soma das forças magnetomotrizes no caminho fechado que simboliza o fluxo magnético de fuga nesta figura é zero, assumindo que metade da força magnetomotriz fraca permanente magnetizada na direção do eixo y contribui para a força magnética principal e a outra metade contribui para o fluxo magnético de fuga.

Isto indica que não há fuga de fluxo magnético. Por outro lado, a Fig. 2 (b) ilustra o circuito magnético da matriz dupla de Halbach utilizando um íman retangular. O total das forças magnetomotrizes no percurso fechado que representa a fuga de fluxo magnético não é igual a zero se a força magnetomotriz for especificada como no caso de um íman quadrado. Por outras palavras, há fuga de fluxo magnético quando se utiliza um íman retangular.

O íman permanente tem uma forma de leque quando uma matriz dupla de Halbach é utilizada numa máquina de fiar. No entanto, ao realizar a deformação equiparcial no exemplo anterior, as mesmas caraterísticas que as de um íman quadrado também são alcançadas neste caso.

As aplicações para naves espaciais exigentes, como o CMG (Control Moment Gyroscope) [1], que exige uma precisão posicional inferior a 1%, são particularmente vulneráveis aos impactos negativos da ondulação de binário.

segundos de arco. Provocam uma degradação da eficiência ao causarem flutuações de velocidade. Além disso, a flutuação do binário pode desencadear ressonâncias auditivas que produzem ruído na parte mecânica do sistema de acionamento. Para além de alcançar uma elevada densidade de binário e eficiência, o fator de conceção mais importante na seleção de motores de torquímetro de baixa velocidade e elevado desempenho para utilização em naves espaciais é reduzir a ondulação do binário e os harmónicos associados.

Para resolver esta questão, as máquinas PMBLDC de fluxo radial de rotor fechado com matriz Halbach são propostas e examinadas neste artigo. Embora tenham sido documentadas algumas máquinas de rotor duplo de fluxo radial com núcleo [2],[3] e máquinas PM de duplo estator [4], não há muita informação na literatura sobre o potencial de um projeto de rotor fechado de fluxo radial sem núcleo utilizando a matriz de Halbach.
Devido ao seu tempo de vida útil prolongado, binário elevado e eficiência elevada, os motores de corrente contínua sem escovas (BLDC) demonstraram ser a melhor forma de motor em geral para utilizações aeroespaciais.

É professor de grau de seleção no Departamento de Eletricidade da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kerala, na Índia.
economia e poucas perdas térmicas [5]. Devido ao seu elevado binário de ondulação, os motores de passo - um tipo único de motor BLDC - não podem ser utilizados em aplicações aeroespaciais essenciais.
Além disso, a investigação anterior dos autores [6] demonstra inequivocamente a dimensão do binário de detenção, que representa quase 13% do binário gerado no motor passo a passo.
O binário de cogging gerado pela máquina e o binário de comutação ligado ao circuito de acionamento são ambos componentes do binário de ondulação encontrado nos motores BLDC de ímanes permanentes. O atolamento, que resulta numa ondulação na potência produzida pelo motor, é uma das desvantagens da construção do motor com ranhuras.

Cogging A alteração da energia magnética retida na caixa de ar devido ao fluxo PM e à localização angular do rotor é o que gera o binário. Resulta da interação entre o fluxo magnético produzido pelo rotor e a alteração induzida pela ranhura na relutância do estator. No entanto, a conceção de um motor BLDC sem ranhuras elimina o componente de ondulação dentada e tem efeitos harmónicos mínimos nas ranhuras, facilitando a obtenção da potência de saída suave necessária para a aplicação.

No entanto, uma máquina sem ranhuras tem uma potência reduzida em comparação com um projeto comparável com ranhuras, porque normalmente há menos fluxo magnético a atravessar o espaço de ar do motor [7],[8]. O campo magnético potente e consistente da magnetização Halbach permite-lhe compensar parcialmente esta redução de produção.

apresenta um motor BLDC de ímanes permanentes com uma matriz de Halbach e um rotor fechado sem engrenamento. O projeto utiliza a capacidade intrínseca de autoproteção da matriz de Halbach, uma vez que permite a utilização de configurações sem núcleo com rácios elevados de potência e inércia. O motor BLDC de rotor fechado utiliza enrolamento de estator sem ranhuras, em contraste com os motores PMBLDC de tipo entalhado tradicionais.
Uma vez que proporciona menos enrolamento final e evita a duplicação do enrolamento de fase, é utilizada a forma concentrada de enrolamento. Este dispositivo não tem stiction nem tensão de engrenagem porque é aircored. Ao adicionar um íman de focalização de fluxo, a perda de núcleo e o fluxo através do núcleo de ferro do rotor são ambos eliminados. Além disso, a força aumenta à medida que a densidade média do fluxo do entreferro também aumenta.

A presença de correntes circulantes nos fios do estator é uma das maiores dificuldades encontradas na construção de máquinas sem núcleo de rotor único de baixa velocidade. Isto pode ser atribuído à variação do fluxo que os liga através do grande espaço de ar da máquina. O Motor BLDC Halbach de rotor fechado evita a circulação de correntes nos fios do estator, distribuindo um fluxo consistente no espaço de ar ao longo do raio da máquina. Devido às suas vantagens, esta máquina é uma óptima escolha para aplicações em naves espaciais de baixa velocidade e elevado binário que exijam uma precisão posicional inferior a um segundo de arco. A circunferência exterior e o comprimento axial da máquina são escolhidos para serem 123 mm e 40 mm, respetivamente, de acordo com as necessidades da aplicação da nave espacial.

Consequentemente, é necessário criar um plano que satisfaça os requisitos da CMG, bem como de outras utilizações de veículos espaciais.